程紅麗，王立，劉健，王利強(qiáng)

（西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，陜西西安710054）

摘要：為了在失電情況下繼續(xù)維持智能終端設(shè)備短暫工作，提出了一種基于電容儲能的自動化終端備用開關(guān)電源解決方案。論述了電路組成、下限工作電壓選取和儲能電容器容量設(shè)計(jì)方法。根據(jù)能量平衡關(guān)系，分析了負(fù)載突然增大和負(fù)載突然減輕情況下的最嚴(yán)重電壓凹陷和電壓驟升，并得出輸出濾波電容容量的設(shè)計(jì)考慮。以一個(gè)具體的電容儲能FTU電源為例，詳細(xì)說明了電路參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的電容儲能備用電源能夠滿足在失去正常供電電源后自動化終端待機(jī)、操作和通信的需要，并且所進(jìn)行的理論分析與實(shí)際情況相符。

0引言

在電力系統(tǒng)監(jiān)測、監(jiān)控和自動化系統(tǒng)中，開關(guān)電源是智能終端設(shè)備的關(guān)鍵部件之一，其輸入一般來自電壓互感器二次側(cè)或配電變壓器二次側(cè)。但是在故障或其它因各種原因?qū)е螺斎腚娫词サ那闆r下，這些智能終端設(shè)備還必須維持工作一段時(shí)間，否則就不能完成故障檢測、處理和繼電保護(hù)以及信息記錄和上報(bào)功能，因此需要采取儲能措施。

在變電站內(nèi)的智能終端設(shè)備，可以采用蓄電池儲能構(gòu)成備用電源系統(tǒng)。但是安裝在戶外環(huán)網(wǎng)柜、柱上開關(guān)、配電變壓器等的智能終端設(shè)備，需要在惡劣的環(huán)境下工作，采用蓄電池?zé)o論對于設(shè)備可靠性或維護(hù)方便性而言都是不理想的。

實(shí)際上對于絕大多數(shù)戶外智能終端設(shè)備，在失去電源時(shí)僅需要維持短暫的工作時(shí)間即可[1]，比如：對于配電變壓器監(jiān)測終端（TTU），只需在停電時(shí)上報(bào)該信息即可；對于柱上開關(guān)監(jiān)控終端（FTU），只需在失電時(shí)上報(bào)故障信息和開關(guān)狀態(tài)，有必要的話分?jǐn)嘣撻_關(guān)即可；對于環(huán)網(wǎng)柜監(jiān)控終端，只需在失電時(shí)上報(bào)故障信息和開關(guān)狀態(tài)，并將故障線路上游相鄰開關(guān)分?jǐn)嗉纯伞Ｉ鲜龉δ芩枰臅r(shí)間一般在1min之內(nèi)。由于分?jǐn)嚅_關(guān)所需的能量可以由專門的工作儲能電容器提供，因此在故障或者失電時(shí)，智能終端設(shè)備的電源只需要提供維持本機(jī)工作和通信單元所需要的能量即可，峰值功率一般不會超過5W，平均功率小于2.5W。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超級電容器和大容量電解電容器技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。與蓄電池相比，電容器具有充電速度快且管理方便、壽命長、體積小、重量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前景的電力儲能設(shè)備并且已經(jīng)成功地應(yīng)用在電力系統(tǒng)中[2~4]。

從戶外智能終端設(shè)備在失電后需要一段短暫的平均功率較小的維持電源供應(yīng)需求看，采用超級電容器和大容量電解電容器作為儲能手段是完全可行并且較蓄電池而言更加合適[5]。

本文論述一種采用電容儲能的備用開關(guān)電源分析和設(shè)計(jì)方法，并對其性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1電路組成

電容儲能開關(guān)電源由整流電路、切換電路、DC-DC變換器、工作儲能電容器和操作儲能電容器等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。對于TTU等不需要控制的情形，可僅有虛線下方部分。

整流電路用以在正常供電情況下為電容充電，切換電路A用以在失去正常供電時(shí)將DC-DC變換器切換到工作儲能電容上，當(dāng)恢復(fù)正常供電時(shí)再將其切換回來。切換電路B用以在失去正常供電時(shí)將開關(guān)操動機(jī)構(gòu)切換到操作儲能電容上，當(dāng)恢復(fù)正常供電時(shí)再將其切換回來。工作儲能電容器用以儲存能量，在失去交流電源時(shí)維持開關(guān)電源工作為智能終端供電。操作儲能電容器用以儲存能量，在失去交流電源時(shí)滿足開關(guān)操作的需要。DC-DC變換器用以將交流電源和工作儲能電容器中的能量轉(zhuǎn)換成所要求的形式以供智能終端設(shè)備使用。一般輸入電壓都高于自動化裝置的工作電壓，因此常采用降壓型buckDC-DC變換器[6]，其組成如圖2所示。

圖中S為功率開關(guān)，D為二極管，L為電感，Co為輸出電容，RL為負(fù)載。Vi為輸入電壓，Vo和Io分別為輸出電壓和輸出電流。

正常時(shí)的工作電源VS和操作電源VC有時(shí)相同有時(shí)并不相同。正常時(shí)的操作電源VC一般直接取自電壓互感器二次側(cè)，因此為AC220V（整流后為DC310V）或AC100V（整流后為DC141V）；而正常時(shí)的工作電源VS有時(shí)也直接取自電壓互感器二次側(cè)，有時(shí)則采用一個(gè)二次變壓器兼隔離裝置進(jìn)一步降壓后得到。

對于輸入輸出電壓相差很懸殊的情形，DC-DC變換器一般需要采用脈沖隔離變壓器來滿足電壓變比的要求。還可以采用如圖3所示的串并電容組合結(jié)構(gòu)（SP）[7，8]構(gòu)成工作儲能電容器，它具有串聯(lián)充電和并聯(lián)放電的特性，因此在失去交流電源而由工作儲能電容器放電維持工作期間，串并電容組合結(jié)構(gòu)實(shí)際上起到了降壓的作用。通過選取恰當(dāng)階數(shù)的串并電容組合結(jié)構(gòu)，就有可能在DC-DC變換器中不需要采用隔離變壓器也能滿足電壓變比的要求。

圖1虛線上部的設(shè)計(jì)和應(yīng)用已經(jīng)比較成熟[9]，操作儲能電容器電壓和容量的設(shè)計(jì)需要根據(jù)開關(guān)操作機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和所需要的能量確定，本文不再贅述，下面著重論述虛線下面部分的分析與設(shè)計(jì)考慮。

2參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1變換器的下限工作電壓

電壓驟升和凹陷都是由于變換器對于電壓或負(fù)載突變的動態(tài)響應(yīng)過程造成的，但對于電容儲能備用電源，其輸入電壓為電容電壓不會突變，因此電壓驟升和凹陷主要由于負(fù)載突變引起。

1）電壓凹陷

開關(guān)頻率f取為50kHz，則在Vi-Io平面上該變換器的全部工作范圍內(nèi)，變換器都處于CCM。

根據(jù)被該FTU控制的柱上真空斷路器操動機(jī)構(gòu)的規(guī)格，確定操作儲能電容器選用470 F/600V。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該電容器可確保在交流電壓失去的條件下對該柱上真空斷路器進(jìn)行2次可靠的合閘或分閘操作。

基于上述參數(shù)，研制了一臺電容儲能開關(guān)電源，功率開關(guān)管采用MOSFETIRF9540，二極管采用MBR20100，PWM控制器采用TL494，工作儲能電容采用1F/50V的超級電容器。

在工作電容充電電壓為30V條件下，分別采用電阻器作為負(fù)載模仿待機(jī)、發(fā)信和控制狀態(tài)，并用開關(guān)分別接入和斷開，測得待機(jī)時(shí)間達(dá)到143s。用該電源為GEA-PFT2W型FTU供電，在成功地進(jìn)行兩次控制操作和兩次上行通信后，待機(jī)時(shí)間達(dá)到141s，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，輸入電壓在8.93V以上時(shí)，F(xiàn)TU仍可以正常工作。

采用電阻器作為負(fù)載，并用開關(guān)分別接入和斷開進(jìn)行了從空載到滿載和從滿載到空載的實(shí)驗(yàn)，輸出電壓的波形如圖4所示。

4結(jié)論

采用電容儲能的自動化終端備用電源能夠滿足在失去正常供電電源后自動化終端待機(jī)、操作和通信的需要。

所進(jìn)行的理論分析符合實(shí)際情況，所建議的設(shè)計(jì)方法是可行的。

所建議的電容儲能的自動化終端備用電源已經(jīng)應(yīng)用于作者研制的配電自動化終端設(shè)備中，運(yùn)行結(jié)果表明其是可行的。

參考文獻(xiàn)

[1]劉健，倪建立.配電自動化新技術(shù)[M].北京：中國水 利水電出版社，2003.

[2]胡毅，陳軒怒，杜硯.超級電容器的應(yīng)用與發(fā)展[J].電 力設(shè)備，2008，9(1)：19-22.

[3]陳英放，李媛媛，鄧梅根.超級電容器的原理與應(yīng)用[J].電子原件與材料，2008，27(1)：6-9.

[4] Zubieta L，Bonert R.Characterization of Double-layer Capacitors for Power Electronics Applications[J].IEEE Trans on Industry Applications，2000，36：199-205.

[5]隋國正，張力大.FTU供電電源方案改進(jìn)[J].電工技 術(shù)，2008，(1)：16-17.

[6]張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京： 電子工業(yè)出版社，2004.

[7]LIU Jian，CHEN Zhi-ming，DU Zhong.A New Design on Switched Capacitor DC-DC Converters for Pocket Computer Systems [J].IEEE Trans on Industry Electronics，1998，45(2)：228-235.

[8]劉健，陳治明，鐘顏儒.開關(guān)電容DC-DC變換器的設(shè) 計(jì)方法 [J].電子學(xué)報(bào)，1999，27(4)：102-106.

[9]劉健，董榕，杜文學(xué)，等.城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設(shè)與改造[M].北京：中國水利水電出版社，2002.

[10] 蔡宣三，龔紹文.高頻功率電子學(xué)：直流-直流變換部 分[M].北京： 科學(xué)出版社，1995.